Il filosofo Bertrand Russell disse: "Ogni essere vivente è una specie di imperialista, che cerca di trasformare il più possibile il suo ambiente in se stesso". Metafore a parte, la respirazione cellulare è il modo formale in cui gli esseri viventi alla fine lo fanno. La respirazione cellulare prende le sostanze catturate dall'ambiente esterno (fonti di aria e di carbonio) e le converte in energia per costruire più cellule e tessuti e per svolgere attività di supporto alla vita. "It also generates waste products and water.", 3, [[Questo non deve essere confuso con la "respirazione" nel senso quotidiano, che di solito significa la stessa cosa della "respirazione". La respirazione è il modo in cui gli organismi acquisiscono ossigeno, ma ciò non equivale alla trasformazione dell'ossigeno e la respirazione non può fornire il carbonio necessario anche per la respirazione; la dieta si occupa di questo, almeno negli animali.

La respirazione cellulare avviene sia nelle piante che negli animali, ma non nei procarioti (ad es. batteri), che mancano di mitocondri e altri organelli e quindi non possono fare uso di ossigeno, limitandoli alla glicolisi come fonte di energia. Le piante sono forse più comunemente associate alla fotosintesi che alla respirazione, ma la fotosintesi è la fonte di ossigeno per la respirazione delle cellule vegetali e una fonte di ossigeno che esce dalla pianta che può essere utilizzata dagli animali. Il sottoprodotto finale in entrambi i casi è l'ATP, o adenosina trifosfato, il principale vettore di energia chimica negli esseri viventi.
L'equazione per la respirazione cellulare

La respirazione cellulare, spesso chiamata respirazione aerobica, è la rottura completa della molecola di glucosio in presenza di ossigeno per produrre anidride carbonica e acqua:

C _{6H 12O 6 + 6O 2 + 38 ADP +38 P -> 6CO 2 + 6H 2O + 38 ATP + 420 Kcal}

Questa equazione ha un componente di ossidazione (C _{6H 12O 6 -> 6CO 2) , essenzialmente una rimozione di elettroni sotto forma di atomi di idrogeno. Ha anche un componente di riduzione, 6O 2 -> 6H 2O, che è l'aggiunta di elettroni sotto forma di idrogeno.}

In cosa si traduce l'equazione nel suo insieme è che l'energia trattenuta nei legami chimici dei reagenti viene utilizzata per collegare l'adenosina difosfato (ADP) agli atomi di fosforo libero (P) per generare adenosina trifosfato (ATP).

Il processo nel suo insieme comprende più fasi: La glicolisi si svolge nel citoplasma, seguita dal ciclo di Krebs e dalla catena di trasporto degli elettroni rispettivamente nella matrice mitocondriale e sulla membrana mitocondriale.
The Process of Glycolysis

Il primo passo nella scomposizione del glucosio in sia le piante che gli animali sono una serie di 10 reazioni note come glicolisi. Il glucosio entra nelle cellule animali dall'esterno, attraverso alimenti che vengono scomposti in molecole di glucosio che circolano nel sangue e vengono assorbiti dai tessuti in cui l'energia è maggiormente necessaria (incluso il cervello). Le piante, al contrario, sintetizzano il glucosio assorbendo anidride carbonica dall'esterno e usando la fotosintesi per convertire la CO _{2 in glucosio. A questo punto, indipendentemente da come ci sia arrivato, ogni molecola di glucosio è impegnata nello stesso destino.}

All'inizio della glicolisi, la molecola di glucosio a sei atomi di carbonio è fosforilata per intrappolarla all'interno della cellula; i fosfati sono caricati negativamente e quindi non possono spostarsi attraverso la membrana cellulare come talvolta possono fare molecole non polari, non caricate. Viene aggiunta una seconda molecola di fosfato, che rende instabile la molecola e viene presto suddivisa in due composti a tre carboni non identici. Questi presto assumono la forma chimica venuta e vengono riorganizzati in una serie di passaggi per produrre infine due molecole di piruvato. Lungo la strada, vengono consumate due molecole di ATP (forniscono all'inizio i due fosfati aggiunti al glucosio) e ne vengono prodotte quattro, due per ogni processo a tre atomi di carbonio, per produrre una rete di due molecole di ATP per molecola di glucosio.

Nei batteri, la glicolisi da sola è sufficiente per il fabbisogno energetico della cellula - e quindi dell'intero organismo -. Ma nelle piante e negli animali, non è così, e con il piruvato, il destino finale del glucosio è appena iniziato. Va notato che la glicolisi stessa non richiede ossigeno, ma l'ossigeno è generalmente incluso nelle discussioni sulla respirazione aerobica e quindi sulla respirazione cellulare perché è necessario per sintetizzare il piruvato.
Mitocondri vs. cloroplasti

Un malinteso comune tra gli appassionati di biologia è che i cloroplasti svolgono la stessa funzione nelle piante che i mitocondri svolgono negli animali e che ogni tipo di organismo ha solo l'uno o l'altro. Non è così. Le piante hanno sia cloroplasti che mitocondri, mentre gli animali hanno solo mitocondri. Le piante usano i cloroplasti come generatori: usano una piccola fonte di carbonio (CO _{2) per costruirne una più grande (glucosio). Le cellule animali ottengono il loro glucosio abbattendo le macromolecole come carboidrati, proteine e grassi e quindi non è necessario creare glucosio dall'interno. Questo può sembrare strano e inefficiente nel caso delle piante, ma le piante hanno sviluppato una caratteristica che gli animali non hanno: la capacità di sfruttare la luce solare per un uso diretto nelle funzioni metaboliche. Ciò consente alle piante di produrre letteralmente il proprio cibo.}

Si ritiene che i mitocondri siano una specie di batteri indipendenti centinaia di milioni di anni fa, una teoria supportata dalla loro notevole somiglianza strutturale con i batteri e le loro macchine metaboliche e la presenza del loro DNA e organelli chiamati ribosomi. Gli eucarioti sono nati per la prima volta oltre un miliardo di anni fa quando una cellula è riuscita a inghiottire un'altra (l'ipotesi dell'endosimbionta), portando a un accordo che è stato molto vantaggioso per l'inghiottista in questo accordo a causa delle maggiori capacità di produzione di energia. I mitocondri sono costituiti da una doppia membrana plasmatica, come le cellule stesse; la membrana interna comprende pieghe chiamate criste. La porzione interna dei mitocondri è conosciuta come la matrice ed è analoga al citoplasma di intere cellule.

I cloroplasti, come i mitocondri, hanno membrane esterne e interne e il loro DNA. All'interno dello spazio racchiuso da una membrana interna si trova un assortimento di sacchetti membranosi interconnessi, stratificati e pieni di liquido chiamati tilacoidi. Ogni "pila" di tilacoidi forma un granum (plurale: grana). Il fluido all'interno della membrana interna che circonda la grana si chiama stroma.

I cloroplasti contengono un pigmento chiamato clorofilla che dà entrambe alle piante la loro colorazione verde e funge da collettore di luce solare per la fotosintesi. L'equazione per la fotosintesi è esattamente il contrario di quella della respirazione cellulare, ma i singoli passaggi per passare dall'anidride carbonica al glucosio non assomigliano in alcun modo alle reazioni inverse della catena di trasporto degli elettroni, del ciclo di Krebs e della glicolisi.
Il ciclo di Krebs

In questo processo, chiamato anche ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) o ciclo dell'acido citrico, le molecole di piruvato vengono prima convertite in molecole a due atomi di carbonio chiamate acetil coenzima A (acetil CoA). Questo rilascia una molecola di CO _{2. Le molecole di acetil CoA entrano quindi nella matrice mitocondriale, dove ognuna di esse si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio di ossaloacetato per formare acido citrico. Pertanto, se si sta eseguendo un'attenta contabilità, una molecola di glucosio si traduce in due molecole di acido citrico all'inizio del ciclo di Krebs.}

L'acido citrico, una molecola a sei atomi di carbonio, viene riorganizzato in isocitrato, quindi un atomo di carbonio viene rimosso per formare chetoglutarato, con un CO _{2 che esce dal ciclo. Il chetoglutarato a sua volta viene privato di un altro atomo di carbonio, generando un altro CO 2 e succinato e formando anche una molecola di ATP. Da lì, la molecola di succinato a quattro atomi di carbonio viene trasformata in sequenza in fumarato, malato e ossaloacetato. Queste reazioni vedono gli ioni idrogeno rimossi da queste molecole e attaccati ai portatori di elettroni ad alta energia NAD + e FAD + per formare rispettivamente NADH e FADH 2, che è essenzialmente "creazione" di energia sotto mentite spoglie, come vedrete presto. Alla fine del ciclo di Krebs, la molecola di glucosio originale ha dato origine a 10 NADH e due molecole FADH 2.}

Le reazioni del ciclo di Krebs producono solo due molecole di ATP per molecola di glucosio originale, uno per ogni "giro" del ciclo. Ciò significa che oltre ai due ATP prodotti nella glicolisi, dopo il ciclo di Krebs, il risultato è un totale di quattro ATP. Ma i veri risultati della respirazione aerobica devono ancora svolgersi in questa fase.
La catena di trasporto degli elettroni

La catena di trasporto degli elettroni, che si verifica sulle creste della membrana mitocondriale interna, è il primo passo nel cellulare respirazione che si basa esplicitamente sull'ossigeno. Il NADH e il FADH _{2 prodotti nel ciclo di Krebs sono ora pronti a contribuire al rilascio di energia in modo importante.}

Il modo in cui ciò accade è che gli ioni idrogeno immagazzinati su queste molecole portatrici di elettroni (un idrogeno lo ione può, ai fini attuali, essere considerato come una coppia di elettroni in termini di contributo a questa parte della respirazione) per creare un gradiente chemiosmotico. Forse hai sentito parlare di un gradiente di concentrazione, in cui le molecole scorrono da regioni di concentrazione più elevata ad aree di concentrazione più bassa, come un cubo di zucchero che si dissolve in acqua e le particelle di zucchero si disperdono ovunque. In un gradiente chemiosmotico, tuttavia, gli elettroni di NADH e FADH _{2 finiscono per essere fatti passare da proteine incorporate nella membrana e che fungono da sistemi di trasferimento di elettroni. L'energia rilasciata in questo processo viene utilizzata per pompare ioni idrogeno attraverso la membrana e creare un gradiente di concentrazione attraverso di essa. Questo porta a un flusso netto di atomi di idrogeno in una direzione e questo flusso viene utilizzato per alimentare un enzima chiamato ATP sintasi, che rende ATP da ADP e P. Pensa alla catena di trasporto degli elettroni come qualcosa che mette un grande peso di acqua dietro una ruota idraulica, la cui successiva rotazione viene utilizzata per costruire cose.}

Questo, non per inciso, è lo stesso processo usato nei cloroplasti per alimentare la sintesi del glucosio. La fonte di energia per creare un gradiente attraverso la membrana cloroplastica non è in questo caso NADH e FADH _{2, ma la luce solare. Il successivo flusso di ioni idrogeno nella direzione della concentrazione di ioni H + inferiore viene utilizzato per alimentare la sintesi di molecole di carbonio più grandi da quelle più piccole, iniziando con CO 2 e terminando con C 6H 12O 6.}

L'energia che fluisce dal gradiente chemiosmotico viene utilizzata per alimentare non solo la produzione di ATP ma anche altri processi cellulari vitali, come la sintesi proteica. Se la catena di trasporto degli elettroni viene interrotta (come con una prolungata deprivazione di ossigeno), questo gradiente di protoni non può essere mantenuto e la produzione di energia cellulare si interrompe, proprio come una ruota idraulica smette di scorrere quando l'acqua circostante non ha più un gradiente di flusso di pressione.

Poiché è stato dimostrato che ogni molecola NADH produce sperimentalmente circa tre molecole di ATP e ogni FADH _{2 produce due molecole di ATP, l'energia totale rilasciata dalla reazione a catena del trasporto di elettroni è (riferendosi al sezione precedente) 10 volte 3 (per NADH) più 2 volte 2 (per FADH 2) per un totale di 34 ATP. Aggiungi questo al 2 ATP della glicolisi e il 2 del ciclo di Krebs, ed è qui che proviene la figura 38 ATP nell'equazione per la respirazione aerobica.}